เทคโนโลยีและกระบวนการผลิตไบโอดีเซล

Page 6 of 10

คุณสมบัติและคุณภาพของไบโอดีเซล

สำหรับมาตรฐานของไบโอดีเซลแบ่งเป็น 2 มาตรฐานคือ มาตรฐานของประเทศสหรัฐอเมริกา ASTM D6751และมาตรฐานของยุโรป EN 14214 มาตรฐานทั้งสองมีค่าที่แตกต่างกัน แต่สำหรับการนำไปโอดีเซลไปใช้ในทางการค้านั้นจะมีอยู่ 2 ลักษณะคือ การใช้ไบโอดีเซลผสมกับน้ำมันดีเซลในอัตราส่วนต่างๆ และการใช้ไบโอดีเซลแทนน้ำมันดีเซล ไบโอดีเซลที่ใช้ในทางการค้ามีอยู่หลายชนิดโดยใช้สัญลักษณ์ B หมายถึง ไบโอดีเซล ส่วนตัวเลขที่ต่อท้ายคือ สัดส่วนของน้ำมันไบโอดีเซลที่มีการผสมลงไปในน้ำมันดีเซล ได้แก่ B5, B20 และ B100 ตัวอย่างเช่น ไบโอดีเซล B5 หมายถึง การผสมไบโอดีเซลกับน้ำมันดีเซลให้เป็นเนื้อเดียวกันโดยมี ไบโอดีเซล 5 % ส่วนที่เหลืออีก 95 % เป็นน้ำมันดีเซล ไบโอดีเซล B20 มีการใช้งานในประเทศในทวีปยุโรป ได้แก่ ประเทศเยอรมัน (Ozsezen, AN., Canakci, M., and Sayin, C., 2008) สำหรับประเทศไทย การกำหนดลักษณะและคุณภาพของไบโอดีเซลถูกกำหนดโดยกรมธุรกิจพลังงาน กระทรวงพลังงาน โดยมีมาตรฐาน 3 ฉบับ ด้วยกันคือ มาตรฐานไบโอดีเซล B100 มาตรฐานไบโอดีเซล B5 สำหรับขายเชิงพาณิชย์และมาตรฐาน B100 สำหรับไบโอดีเซลชุมชน B100 ถูกกำหนดให้เป็นเมทิลเอสเตอร์ของกรดไขมันคือต้องทำจากเมทานอลที่มีข้อกำหนด 23 รายการ เช่น ร้อยละของเมทิลเอสเตอร์ ความหนืดที่อุณหภูมิมาตรฐาน อุณหภูมิจุดวาบไฟ ค่าสมบัติการป้องกันการน็อกของเครื่องยนต์และปริมาณร้อยละของน้ำ ส่วนไบโอดีเซล B5 มีข้อกำหนดเหมือนน้ำมันดีเซลทุกประการ ยกเว้นสีของน้ำมันที่เป็นสีน้ำเงิน ส่วนไบโอดีเซล B100 สำหรับคุณภาพของไบโอดีเซลชุมชนนั้นมีสมบัติใกล้เคียงกับไบโอดีเซล B100 แต่มีข้อกำหนดเพียง 12 รายการและน้ำมันต้องมีสีม่วง (อนุชา พรมวังขวา และ ชัยชาญ ฤทธิเกริกไกร, 2550)

ไบโอดีเซลมีความถ่วงจำเพาะใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลคือ ไบโอดีเซลมีความถ่วงจำเพาะประมาณ 0.88 ขณะที่น้ำมันดีเซลมีความถ่วงจำเพาะ 0.85 ส่วนความหนาแน่นพบว่า ไบโอดีเซลมีค่ามากกว่าน้ำมันดีเซล 2-7% ไบโอดีเซลที่ผลิตจาก methyl  2-propyl> ethyl> butyl esters ค่าความหนืดเชิงไคเนติกส์ตามวิธี ASTM D 6751 กำหนดให้ความหนืดของไบโอดีเซลที่อุณหภูมิ 40°C อยู่ในช่วง 1.9-6.0 mm²/s โดยความหนืดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นจะทำให้ความหนืดลดลงและผลิตภัณฑ์เมทิลเอสเตอร์เพิ่ม แต่ความหนืดของไบโอดีเซลมีค่าเป็นสองเท่าของน้ำมันดีเซล D2 ซึ่งความหนืดที่สูงของไบโอดีเซลสามารถลดการสูญเสียน้ำมันได้ ค่าดัชนีซีเทน (cetane number) แสดงถึงการควบคุมการเผาไหม้ที่ดี มีผลต่อการปล่อยก๊าซพิษที่จะลดลง รวมทั้งมีส่วนเกี่ยวกับการติดของเครื่องยนต์ในอุณหภูมิที่เย็น (cold start) ซึ่งตามมาตรฐาน ASTM D 6751 มีดัชนีซีเทนอยู่ในช่วง 48-60 ขึ้นอยู่กับปริมาณของสายโซ่คาร์บอน ค่านี้จะมากกว่าค่าที่ได้จากน้ำมันพืชบริสุทธิ์และมากกว่ามาตรฐาน ASTM D975 ของน้ำมันดีเซล (Rashid, U., and Anwar, F., 2008; Demirbas, A., 2003)

เมื่อพิจารณาถึงจุดวาบไฟและค่าการเผาไหม้ของไบโอดีเซล พบว่ามีค่าสูงกว่าน้ำมันดีเซล D2 ค่าพารามิเตอร์นี้แสดงถึงการจัดการ การเก็บและความปลอดภัยของการเก็บน้ำมันและการติดไฟของน้ำมัน ถ้าค่าทั้งสองนี้สูงหมายถึง สามารถช่วยลดอันตรายที่จะเกิดขึ้นได้ การใช้ไขมันสัตว์ในการผลิตไบโอดีเซลพบว่าจุดวาบไฟน้อยกว่าไบโอดีเซลจากน้ำมันพืช แต่ถ้าไปดูมาตรฐานของ ASTM จะพบว่าจุดวาบไฟของไบโอดีเซลสูงกว่ามาตรฐานของน้ำมันดีเซล ปริมาณน้ำในน้ำมันดีเซลและไบโอดีเซลมีค่าน้อยกว่า 0.05 การมีน้ำในไบโอดีเซลมากจะทำให้มีโอกาสเกิดเชื้อราได้ ปริมาณออกซิเจนในไบโอดีเซลทำให้มีการเผาไหม้ที่ดีกว่าน้ำมันดีเซล เสียงของเครื่องยนต์ที่ใช้ไบโอดีเซลจะดังน้อยกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันดีเซล ความคงทนของการเผาไหม้ของไบโอดีเซลที่ใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซลแสดงว่าออกซิเจนจะช่วยเรื่องการเพิ่มอัตราการให้ความร้อนสูงสุด ส่วนค่าปริมาณกำมะถัน ปริมาณไฮโดรเจนและปริมาณคาร์บอนจะกำหนดไว้ในมาตรฐาน(Rashid, U., and Anwar, F., 2008; Ozsezen, AN., Canakci, M., and Sayin, C., 2008) คุณสมบัติต่างๆ ของน้ำมันดีเซลและไบโอดีเซลตามมาตรฐาน ASTM ดังแสดงในตารางที่ 1

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบคุณสมบัติต่างๆ ของน้ำมันดีเซลและไบโอดีเซลตามมาตรฐาน ASTM

	น้ำมันดีเซล	ไบโอดีเซล
	ASTM D975	ASTM D6751
องค์ประกอบ	ไฮโดรคาร์บอน(C10-C21)	เมทิลเอสเตอร์ของกรดไขมัน
ความหนืด(mm²/s)	1.9-4.1 ที่ 40^oC	1.9-6.0 ที่ 40^oC
ความถ่วงจำเพาะ	0.85	0.88
จุดวาบไฟ(^oC)	60-80	100-170
ปริมาณน้ำ (%)	0.05	0.05
ปริมาณคาร์บอน(%)	87	77
ปริมาณไฮโดรเจน(%)	13	12
ปริมาณออกซิเจน(%)	0	11
ปริมาณกำมะถัน(%)	0.05	0.05
ดัชนีซีเทน	40-55	48-60

ที่มา : Lotero E., et al. (2005)

สมบัติการไหลในสภาวะที่เย็น (cold flow) เป็นตัวบ่งบอกถึงการนำไปใช้ในทางการค้า สมบัติที่สำคัญของการไหลในสภาวะเย็นของไบโอดีเซลคือ ค่าจุดขุ่นและค่าจุดไหลเท ASTM D 6751 ไม่มีการกำหนดมาตรฐานไว้ เช่นเดียวกันกับค่าการอุดตันที่อุณหภูมิต่ำ (cold filter plugging point : CFPP) ค่าทั้งสามนี้รายงานเป็นอุณหภูมิ ซึ่งต้องมีค่าน้อยเพื่อทำให้ไบโอดีเซลสามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำ โดยค่าทั้งสามนี้ของไบโอดีเซลจะสูงกว่าน้ำมันดีเซล เมื่อพิจารณาเฉพาะในกลุ่มไบโอดีเซลด้วยกันพบว่าค่า CFPP ของไบโอดีเซลจากน้ำมันหมู วัว และไก่สูงกว่าน้ำมันถั่วเหลือง อาจเนื่องมาจากในไขมันสัตว์มีปริมาณกรดไขมันอิ่มตัวมากกว่าน้ำมันถั่วเหลือง เนื่องจากกรดไขมันอิ่มตัวจะมีจุดหลอมเหลวสูงกว่ากรดไขมันไม่อิ่มตัวที่มีจำนวนคาร์บอนเท่ากัน ทำให้เกิดเป็นแอลคิลเอสเตอร์ที่อิ่มตัว ขณะที่การใช้น้ำมันพืชในการผลิตไบโอดีเซล ส่วนใหญ่ประกอบด้วยกรดโอเลอิกและลิโนเลอิกที่เป็นกรดไขมันไม่อิ่มตัว การมีโซ่ยาวที่ไม่อิ่มตัวของแอลคิลเอสเตอร์จะส่งผลดีต่อลักษณะการไหลในที่เย็นของไบโอดีเซล และการมีพันธะคู่หรือกรดไขมันไม่อิ่มตัวมากจะทำให้จุดเดือดของไบโอดีเซลต่ำลง นอกจากนี้พบว่าเมทิลเอสเตอร์และเอทิลเอสเตอร์ที่เตรียมจากน้ำมันพืชมีคุณสมบัติของจุดขุ่น จุดไหลเทที่เหมือนกัน การอุดตันที่อุณหภูมิต่ำอาจเป็นปัญหาสำหรับการสตาร์ทเครื่องในภาวะอากาศเย็นเนื่องจากจะทำให้มอเตอร์ไม่ทำงาน อากาศเย็นจะทำให้มีความหนืดสูงจนกลายเป็นของแข็ง ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใส่สารเติมแต่งลงไปเพื่อเพิ่มการไหลของไบโอดีเซลที่อุณหภูมิต่ำ ค่าความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชัน (oxidation stability) เป็นการวัดการทนทานต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณของกรดไขมันไม่อิ่มตัวและตำแหน่งของพันธะคู่ และการมี antioxidant หรือ pro-oxidant จากการทดสอบพบว่า ค่าความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีปริมาณกรดไขมันอิ่มตัวเพิ่มขึ้น (Wyatt, VT., et al., 2005)

การผสมไบโอดีเซลลงในน้ำมันดีเซลจะช่วยทำให้ค่าแรงบิดในการเบรก (brake torque) และกำลังเพลา (brake power) รวมทั้งประสิทธิภาพเชิงความร้อนเมื่อเบรก (brake thermal efficiency) ลดลง ประสิทธิภาพเชิงความร้อนเมื่อเบรก แสดงถึงความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานทางเคมีของน้ำมันไปเป็นงานที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยทำให้การล่าช้าของการจุดระเบิด (ignition delay) ลดลง ค่า ignition delay คือ เวลานับจากเริ่มการฉีดน้ำมันไปจนถึงเริ่มมีการเผาไหม้ ค่า ignition delay ของน้ำมันทุกชนิดจะเพิ่มขึ้นเมื่อเพิ่มความเร็วของเครื่องยนต์และการใช้ไบโอดีเซลจะช่วยลดเสียงของเครื่องยนต์ การผสมไบโอดีเซลลงในน้ำมันดีเซลจะทำให้ค่าอัตราการใช้น้ำมันเมื่อเบรก (brake specific fuel consumption) เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้กระบวนการเผาไหม้และเวลาในการจ่ายน้ำมันเกิดขึ้นได้เร็วกว่า การเพิ่มสัดส่วนของไบโอดีเซลจะทำให้อุณหภูมิที่ปลายท่อ (exhaust gas temperature) และผลของการน็อคของเครื่องยนต์เกิดขึ้นได้ใกล้เคียงกับน้ำมันดีเซล ซึ่งค่า exhaust gas temperature เป็นตัวชี้ถึงประสิทธิภาพในการใช้พลังงานความร้อนของเชื้อเพลิง (Ozsezen, AN., Canakci, M., and Sayin, C., 2008)